DE202018003439U1 - System for operating and changing accumulators in electrically powered motor vehicles - Google Patents
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Abstract
Elektroantriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs (110) mit einem zur elektrischen Betankung manuell, teilautomatisch oder vollautomatisch tauschbarem Kraftfahrzeugakkumulator dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftfahrzeugakkumulator in kleiner Akkumulatormodule unterteilt ist welche in mindestens einem Akkumulatorfach (250) bestehend aus mindestens einem Akkumulatorschacht (260) untergebracht sind.Electric drive device of a motor vehicle (110) with a manual, semi-automatic or fully automatic exchangeable motor vehicle accumulator for electrical refueling, characterized in that the motor vehicle accumulator is subdivided into small accumulator modules which are accommodated in at least one accumulator compartment (250) comprising at least one accumulator shaft (260).
Description
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Die Erfindung betrifft zumindest teilweise mit elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge mit wechselbarem Akkumulator (Kraftfahrzeugakkumulator) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates at least in part to electrically driven motor vehicles with replaceable accumulator (motor vehicle accumulator) according to the preamble of claim 1.
Aus der
Als Akkumulatoren werden heutzutage hauptsächlich Li-Ionen, LiFePo, LiPo oder NiMH-Akkumulatoren verwendet. Die verwendeten Kapazitäten und damit auch die Größe und das Volumen des Kraftfahrzeugakkumulators sind dabei unter anderem abhängig vom Fahrzeugtyp sowie der angestrebten Reichweite. Kleine Personenkraftwagen haben dabei einen Kraftfahrzeugakkumulator mit einer Kapazität ab ca. 20 Kilowattstunden, während große Personenkraftwagen mit hoher Reichweite über einen Kraftfahrzeugakkumulator mit einer Kapazität von bis zu 90 Kilowattstunden verfügen. Akkumulatoren mit solchen Kapazitäten haben ein Gewicht zwischen 120 Kilogramm und 500 Kilogramm bei einem Volumen zwischen 80 Liter bis 250 Liter und sind dadurch sehr schwer zu wechseln und zu handhaben.The batteries used today are mainly Li-ion, LiFePo, LiPo or NiMH accumulators. The capacities used and thus also the size and the volume of the motor vehicle accumulator are inter alia dependent on the vehicle type and the desired range. Small passenger cars have a Kraftfahrzeugakkumulator with a capacity from about 20 kilowatt-hours, while large passenger cars with high range have a Kraftfahrzeugakkumulator with a capacity of up to 90 kilowatt-hours. Accumulators with such capacities have a weight between 120 kilograms and 500 kilograms in a volume between 80 liters to 250 liters and are therefore very difficult to change and handle.
Der Kraftfahrzeugakkumulator stellt bei zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen einen erheblichen Kostenfaktor dar. Der Akkumulator altert einerseits durch die Nutzung, sodass die erreichbaren Ladezyklen, zumeist mit bis 1000 Ladezyklen, begrenzt sind. Zusätzlich kommt es zu einer zeitlichen Alterung, weshalb der Akkumulator auch ohne Nutzung nach derzeit zumeist ca. 8 Jahren getauscht werden muss. Werden bei einem Akkumulator innerhalb seines Lebenszeitraums von ca. 8 Jahren, nicht die 1000 Ladezyklen genutzt, so zeigt dieser dennoch Verschleißerscheinungen und muss ausgetauscht werden. Aus diesem Grund ist eine ökonomische Akkumulatornutzung nur gegeben, wenn dieser so dimensioniert ist dass die 1000 Ladezyklen erreicht werden bevor eine signifikante zeitliche Alterungserscheinungen eintritt. Die tatsächliche Kapazität des Kraftfahrzeugakkumulator muss daher an die tatsächlich stattfinde Nutzung des Fahrzeuges angepasst werden, welche sich über die Fahrzeuglebensdauer ändern kann.The motor vehicle accumulator represents a considerable cost factor in motor vehicles that are at least partially electrically driven. The accumulator ages on the one hand due to the use, so that the achievable charging cycles, usually with up to 1000 charging cycles, are limited. In addition, it comes to a temporal aging, which is why the accumulator must be replaced without use for currently mostly about 8 years. If an accumulator does not use the 1000 charging cycles within its life span of approx. 8 years, it nevertheless shows signs of wear and must be replaced. For this reason, an economic accumulator use is given only if it is dimensioned so that the 1000 charging cycles are reached before a significant temporal aging phenomena occurs. The actual capacity of the motor vehicle accumulator must therefore be adapted to the actual use of the vehicle, which may change over the vehicle's life.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde die Kapazität des Kraftfahrzeugakkumulators flexibel an die tatsächlich benötigte Kapazität anzupassen und damit eine ökonomische Akkumulatornutzung zu gewährleisten. Diese Anpassung soll manuell, teilautomatisch oder vollautomatisch durch den Wechsel von zumindest Teilen des Kraftfahrzeugakkumulators zu ermöglicht werden.The invention is in particular the object of flexibly adapting the capacity of the motor vehicle battery to the actual required capacity and thus to ensure an economic accumulator usage. This adaptation is to be made possible manually, semi-automatically or fully automatically by changing at least parts of the motor vehicle accumulator.
Vorhandene Wechselkonzepte sehen ausschließlich den Wechsel des gesamten Kraftfahrzeugakkumulators vor und ermöglichen somit nicht die einfache Anpassung der Kapazität an den tatsächlichen Bedarf wodurch die Akkumulatoren nicht effizient genutzt werden kann.Existing change concepts provide only the change of the entire motor vehicle battery and thus do not allow easy adaptation of the capacity to the actual needs whereby the batteries can not be used efficiently.
Aufgrund der Größe und des Gewichtes bestehender Kraftfahrzeugakkumulatoren erfordert deren Wechsel eine komplizierte und teure Wechselinfrastruktur, wodurch diese sich nur mit hohem Aufwand flächendeckend eingeführt werden kann.Due to the size and weight of existing motor vehicle batteries whose change requires a complicated and expensive exchange infrastructure, which this can be introduced nationwide only with great effort.
Vorhandene Kraftfahrzeugakkumulatoren müssen speziell für jeden Kraftfahrzeugtyp angepasst werden, damit diese in Größe, Form und den elektrischen Spezifikationen zum Kraftfahrzeugtyp passen. Eine einheitliche Nutzung eines Kraftfahrzeugakkumulators für verschiedene Kraftfahrzeugtypen ist somit nicht möglich weshalb in einer Akkumulator Wechselstation verschiedene Kraftfahrzeugakkumulatortypen vorrätig gehalten werden müssen, was die Lagerkosten erhöht. Auch die Komplexität der gesamten Anlage ist höher.Existing automobile batteries must be specially adapted for each type of motor vehicle to suit the size, shape and electrical specifications of the type of vehicle. A uniform use of a motor vehicle battery for different types of motor vehicles is therefore not possible, therefore, different types of motor vehicle accumulators must be kept in stock in an accumulator changing station, which increases the storage costs. The complexity of the entire system is higher.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION
Die Erfindung sieht daher vor den bisher großen und schweren Kraftfahrzeugakkumulator in kleinere, in sich geschlossene und vereinheitlichte Akkumulatormodule zu unterteilen die sich in einer Reihen- und Parallelschaltung befinden. Je nach Kraftfahrzeugtyp und benötigter Kapazität des Kraftfahrzeugakkumulators kann das Kraftfahrzeug mit mehr, oder weniger Akkumulatormodulen ausgestattet werden. Ein Akkumodul sollte dabei ein Gewicht zwischen 10 Kilogramm und 30 Kilogramm, vorzugsweise 16 Kilogramm, haben um auch einen manuellen Wechsel zu ermöglichen. Bei einem 16 Kilogramm schweren Akkumulatormodul inklusive Gehäuse und Elektronik ist mit aktuellen Akkumulatorzellen eine Kapazität von ca. 2,5 Kilowattstunden erreichbar. Zum Betreiben eines durchschnittlichen Mittelklasse Personenkraftwagens mit durchschnittlich 38 Kilowattstunden Gesamtkapazität des Kraftfahrzeugakkumulators sind somit ca. 15 Akkumulatormodule notwendig.The invention therefore provides for the previously large and heavy Kraftfahrzeugakkumulator to divide into smaller, self-contained and unified accumulator modules which are in a series and parallel connection. Depending on the type of motor vehicle and the required capacity of the motor vehicle accumulator, the motor vehicle can be equipped with more or fewer accumulator modules. A battery module should have a weight between 10 kilograms and 30 kilograms, preferably 16 kilograms, to allow a manual change. With a 16 kilogram battery module including housing and electronics, a capacity of approx. 2.5 kilowatt hours can be achieved with current accumulator cells. To operate an average middle-class passenger car with an average of 38 kilowatt-hours total capacity of the motor vehicle battery thus approximately 15 accumulator modules are necessary.
Es wird vorgeschlagen, dass die Spannung eines Akkumulatormoduls einen ganzzahligen Bruchteil der üblichen Betriebsspannung von Elektrofahrzeugen beträgt. Die Betriebsspannung von elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen liegt üblicherweise bei 360 Volt. Idealerweise liegt damit die Spannung eines Akkumulatormoduls bei 60 Volt, 90 Volt, oder 120 Volt damit diese in Reihe geschaltet werden können und somit die 360 Volt Betriebsspannung erreichen.It is proposed that the voltage of an accumulator module is an integer fraction of the usual operating voltage of electric vehicles. The operating voltage of electrically powered vehicles is usually 360 volts. Ideally, the voltage of a battery module at 60 volts, 90 volts, or 120 volts so that they are connected in series can and thus reach the 360 volt operating voltage.
Der Kraftfahrzeugakkumulator besteht aus mindestens einem Akkumulatorstrang der aus mindestens einem, vorzugsweise zwei bis sechs, Akkumulatormodulen gebildet wird die sich in Reihenschaltung befinden. Jeder Akkumulatorstrang besitzt damit die spezifische elektrische Kapazität der Akkumulatormodule und deren aufsummierte Spannung. Jeder Akkumulatorstrang enthält eine Vorrichtung welche die elektrische Verbindung zum Akkumulator-Internen Hochspannungsbus über ein Strang-Anschluss-Modul herstellt.The Kraftfahrzeugakkumulator consists of at least one Akkumulatorstrang formed of at least one, preferably two to six, accumulator modules are in series. Each accumulator strand thus has the specific electrical capacity of the accumulator modules and their accumulated voltage. Each accumulator train includes a device which establishes the electrical connection to the accumulator-internal high-voltage bus via a line-connection module.
Der Kraftfahrzeugakkumulator kann durch die Parallelschaltung mehrere Akkumulatorstränge in seiner Kapazität erweitert werden. Voraussetzung hierfür ist, dass jeder Akkumulatorstrang über die gleiche Anzahl von Akkumulatormodulen verfügt. Der Kraftfahrzeugakkumulator besteht, je nach Kraftfahrzeugtyp, aus mindestens einem, vorzugsweise ein bis 30 Akkumulatorsträngen. Die Akkumulatorstränge können sich hinsichtlich des Energiegehaltes/Zellchemie/Alterungszustandes der Zelle unterschieden.The Kraftfahrzeugakkumulator can be extended by the parallel connection of several Akkumulatorstränge in its capacity. The prerequisite for this is that each accumulator train has the same number of accumulator modules. The Kraftfahrzeugakkumulator consists, depending on the type of motor vehicle, of at least one, preferably one to 30 Akkumulatorsträngen. The accumulator strands can differ in terms of the energy content / cell chemistry / state of aging of the cell.
Die Erfindung sieht vor, dass beim Bestücken eines Akkumulatorstranges durch eine automatische Wechselstationen alle Module innerhalb eines Akkumulatorstranges über die eine zumindest ähnliche Energiemenge bzw. Ladezustand verfügen, da sonst nicht alle Module vollständig entladen werden können. Das Modul mit dem geringsten Energiegehalt definiert die maximal entnehmbare Energiemenge. Die Module werden von der automatischen Wechselstation hinsichtlich ihres Ladezustandes bzw. Energiegehaltes passend zu einem Strang zusammengestellt.The invention provides that when loading a battery line by an automatic change stations all modules within an accumulator train on the at least a similar amount of energy or state of charge, otherwise not all modules can be completely discharged. The module with the lowest energy content defines the maximum amount of energy that can be removed. The modules are assembled by the automatic changing station in terms of their state of charge or energy content suitable for a strand.
Die Erfindung sieht innerhalb des Kraftfahrzeugakkumulators eine elektrische Verschaltung der einzelnen Akkumulatorstränge vor, die es erlaubt, einzelne Akkumulatorstränge für den Betrieb des Kraftfahrzeuges zuzuschalten bzw. abzuschalten. Dadurch kann das Kraftfahrzeug auch betrieben werden, wenn nicht alle, im Kraftfahrzeug vorhandenen Akkumulatorstränge mit Akkumulatormodulen bestückt sind. Des Weiteren können die Akkumulatorstränge so geschaltet werden, dass diese während des Kraftfahrzeugbetriebs sequentiell entladen werden.The invention provides within the Kraftfahrzeugakkumulators before an electrical interconnection of the individual Akkumulatorstränge, which makes it possible to switch on or off individual Akkumulatorstränge for the operation of the motor vehicle. As a result, the motor vehicle can also be operated if not all of the accumulator strings present in the motor vehicle are equipped with accumulator modules. Furthermore, the accumulator strings can be switched so that they are discharged sequentially during motor vehicle operation.
Da die einzelnen Akkumulatorstränge aufgrund von Ladungsunterschieden, Verschleiß, oder Fertigungstoleranzen der Akkumulatormodule unterschiedliche Spannungen haben können, ist eine Anpassung der Spannungen, der parallel zu schaltenden Akkumulatorstränge notwendig, um hohe Ausgleischsstromspitzen zu vermeiden die die Elektronik beschädigen könnten. Das System verfügt über ein Strang-Anschluss-Modul, welche das Anpassen der Spannungen beim Parallelschalten der Akkus bzw. die Begrenzung des Umladeschtromes vornehmen kann. Hierfür können verschiedene Varianten genutzt werden, die im Folgenden beschrieben sind.Since the individual accumulator strands may have different voltages due to differences in charge, wear, or manufacturing tolerances of the accumulator modules, an adaptation of the voltages of parallel to be switched accumulator strands necessary to avoid high Ausgleischsstromspitzen that could damage the electronics. The system has a strand connection module, which can adjust the voltages when connecting the batteries in parallel or limiting the recharge current. For this purpose, different variants can be used, which are described below.
Eine mögliche Variante besteht darin vor dem initialen Zusammenschalten der Akkumulatorstränge einen Ladungsausgleich durch gezieltes Entladen der Akkumulatorstränge durchzuführen bis die, für die Parallelschaltung vorgesehenen Akkumulatorstränge, das Spannungsniveau des Akkumulatorstrangs mit der niedrigsten Spannung erreicht haben. Für den Betrieb des Kraftfahrzeuges kann die elektrische Leistung von einem, oder wendigen Akkumulatorsträngen ausreichend sein. Somit müssen nicht zwangsläufig alle Akkumulatorstränge auf ein Spannungsniveau gebracht werden, sondern nur mindestens die minimale Anzahl an Akkumulatorsträngen, die für den Betrieb des Kraftfahrzeuges notwendig sind. Die so entstandenen Akkumulatorstrangpaarungen können dann für den Kraftfahrzeugbetrieb genutzt werden. Zwischen den so entstanden Akkumulatorstrangpaaren kann beliebig umgeschaltet werden. Bei dieser Variante ist eine Parallelschaltung verschiedener Akkumulatorstränge allerdings nur noch möglich, wenn diese durch gezieltes entladen/laden auf ein gleiches Spannungsniveau gefahren werden. Ein Abschalten einzelner Stränge ist jederzeit möglich. Zum unterbrechungsfreien Umschalten der Akkumulatorstränge ist die Verwendung eines Energiepufferspeicher sowie einer Koordination mit dem aktuell Lastfall und dem damit vom Fahrzeug benötigenden elektrischen Energiebedarfs vorteilhaft.A possible variant is to carry out a charge equalization by purposeful discharging of the accumulator strands prior to the initial interconnection of the accumulator strands until the accumulator strands provided for the parallel connection have reached the voltage level of the accumulator strand with the lowest voltage. For the operation of the motor vehicle, the electrical power of one or agile accumulator strands may be sufficient. Thus, not necessarily all accumulator strands must be brought to a voltage level, but only at least the minimum number of Akkumulatorsträngen that are necessary for the operation of the motor vehicle. The resulting Akkumulatorstrangpaarungen can then be used for motor vehicle operation. It is possible to switch between the pairs of accumulator strings thus created. In this variant, a parallel connection of different accumulator strands, however, only possible if they are driven by targeted unload / load to an equal voltage level. Switching off individual strands is possible at any time. For uninterrupted switching of Akkumulatorstränge the use of an energy buffer memory and a coordination with the current load case and thus required by the vehicle electrical energy consumption is advantageous.
Eine weitere Variante sieht einen, im Strang-Anschluss-Modul verbauten, Gleichspannungswandler (DC/DC Wandler) vor. Dieser arbeitet bidirektional und kann die Spannung des jeweiligen Akkumulatorstrangs auf ein definiertes Spannungsniveau anheben, oder senken. Dies ermöglicht es die aus den Akkumulatorsträngen entnommen bzw. in diese gespießte Energie flexibel zu verteilen. Somit kann die entnommen Leistung z.B. unsymmetrisch auf die Akkumulatorstränge verteilt werden oder auch die Ladung zwischen verschieden Akkumulatorsträngen umverteilt werden (als Beispiel wird Akkumulatorstrang A wird aus Akkumulatorstrand B und D geladen). Zudem ist der Parallelbetrieb von beliebigen Akkumulatorsträngen mit unterschiedlichem Ladestand oder unterschiedlicher Zell-Chemie möglich. Des Weiteren kann hierbei die Spannung auf dem Fahrzeug Hochsvoltbus Fahrsituationsspezifisch angepasst werden um so einen höheren Wirkungsgrad im Zusammenspiel zwischen Umrichter und Elektromotor zu erzielen.Another variant envisages a DC-DC converter (DC / DC converter) installed in the line-connection module. This operates bidirectionally and can raise or lower the voltage of the respective accumulator string to a defined voltage level. This makes it possible to flexibly dispense the energy spewed from the accumulator strands or spewed into them. Thus, the removed power can be e.g. be distributed asymmetrically to the Akkumulatorstränge or the charge between different Akkumulatorsträngen be redistributed (as an example, accumulator strand A is charged from Akkumulatorstrand B and D). In addition, the parallel operation of any Akkumulatorsträngen with different state of charge or different cell chemistry is possible. Furthermore, the voltage on the vehicle Hochsvoltbus driving situation can be specifically adapted to achieve a higher efficiency in the interaction between inverter and electric motor.
Eine weitere Variante besteht darin den Angleichen der Spannungen der parallel zu schaltenden Akkumulatorstränge durch das Balancing (Ladungsausgleichsregelung), welches durch die Akkumulatorsteuerung gesteuert wird, durchzuführen. Diese wirkt auf die Spannung von einzelne Akkumulatorzellen ein und kann somit auch gezielt die Spannung eines Akkumulatorstranges beeinflussen.A further variant consists in the balancing of the voltages of the battery strings to be switched in parallel ( Charge balance control) controlled by the accumulator controller. This acts on the voltage of individual battery cells and thus can also specifically affect the voltage of a battery bank.
Die einzelnen Akkumulatormodule enthalten eine Akkumulatormodulsteuerung zur Überwachung der spezifischen elektrischen und thermischen Parameter. Hierbei wird wenigstens eine Zellspannung, üblicherweise alle Zellspannungen, wenigstens eine Temperatur sowie der gesamt Strom gemessen. Die Akkumulatormodulsteuerung kann über einen elektrischen Anschluss, oder auch berührungslos, mit dem Fahrzeug, einer Wechselstation oder Endgeräten (z.B. Handy, technisches Auslesegerät etc.) kommunizieren und sich eindeutig identifizieren.The individual accumulator modules include an accumulator module controller for monitoring the specific electrical and thermal parameters. In this case, at least one cell voltage, usually all cell voltages, at least one temperature and the total current is measured. The accumulator module controller can communicate with the vehicle, a change station or terminals (e.g., cell phone, technical reader, etc.) via an electrical connection, or even non-contact, and uniquely identify itself.
Jedes einzelne Akkumulatormodul verfügt über einen Vorrichtung um mindestens einpolig den elektrischen Ausgang spannungsfrei schalten zu können. Die Schaltung wird durch die Akkumulatormodulsteuerung gesteuert. Das Modul ist solange spannungsfrei geschaltet bis es durch ein übergeordnetes Steuergerät (der Kraftfahrzeugsakkumulatorsteuerung, Wechselstation, oder Service Schnittstelle), zum Zuschalten der Spannung kommandiert wird. Wenn die Akkumulatormodulsteuerung einen internen Fehler feststellt kann sie die Zuschaltung verweigern oder das Akkumulatormodul im Betrieb abschalten.Each individual accumulator module has a device to at least one pole to disconnect the electrical output voltage. The circuit is controlled by the accumulator module controller. The module is de-energized until it is commanded by a higher-level control unit (the Kraftfahrzeugsakkumulatorsteuerung, changing station, or service interface), for switching on the voltage. If the accumulator module controller detects an internal fault, it may refuse the connection or shut down the accumulator module during operation.
Das Strang-Anschluss-Modul verfügt über eine Sicherheitsschaltung die den jeweiligen Strang permanent (irreversibel) im Fehlerfall elektrisch vom Kraftfahrzeugakkumulator internen Hochspannungsbus trennen kann. Dies kann durch eine elektronisch oder chemisch ausgelöste Sicherung erfolgen die mindestens einen Pol trennt. Diese Sicherung kann auch als bedatbare Überstromschutzeinrichtung für den Akkumulatorstrang fungieren.The strand connection module has a safety circuit which can permanently disconnect the respective strand (irreversibly) from the motor vehicle accumulator's high-voltage bus in the event of a fault. This can be done by an electronically or chemically triggered fuse which separates at least one pole. This fuse can also act as a controllable overcurrent protection device for the accumulator train.
Der Kraftfahrzeugakkumulator wird mittels einer Akkumulator-Fahrzeug-Schnittstelle welche die Kraftfahrzeugakkumulatorsteuerung enthält an den Kraftfahrzeug Hochspannungssystembus verbunden. Die Akkumulator-Fahrzeug-Schnittstelle enthält eine Vorrichtung zum mindestens einpoligen, üblicherweise allpoligen Abzuschalten (AIR - Akkumulator Isolation Relais). Sowie einer Überstromschutzeinrichtung zum Schutz des Kraftfahrzeugakkumulators sowie einer Vorladeeinrichtung welche zum Angleich der Spannung des Kraftfahrezugakkumulators und des Hochspannungssystembusse vor schließen der Schütze dient.The motor vehicle accumulator is connected to the motor vehicle high voltage system bus by means of an accumulator vehicle interface which contains the motor vehicle accumulator control. The accumulator vehicle interface contains a device for at least single-pole, usually all-pole disconnection (AIR - Accumulator Isolation Relay). As well as an overcurrent protection device for the protection of the motor vehicle battery and a pre-charging device which serves to equalize the voltage of Kraftfahrezugakkumulators and the high voltage system buses before closing the contactors.
Sämtliche angeschlossenen Akkumulatormodule kommunizieren mit der Kraftfahrzeugsakkumulatorsteuerung mittels eines geeigneten Busssystems (beispielsweise CAN-Bus). Dies wird weiterhin als Akkumulator-Kommunikations-System bezeichnet. Jedes Akkumulatormodul kann sich hierbei eindeutig identifizieren und hat Kenntnis über die Akkumulatorzellen (unter anderem SOC/SOH) sowie ggf. abrechnungsrelevante Zusatzinformationen.All connected accumulator modules communicate with the motor vehicle accumulator control by means of a suitable bus system (for example CAN bus). This is further referred to as accumulator communication system. Each accumulator module can unambiguously identify itself and has knowledge of the accumulator cells (including SOC / SOH) as well as billing-relevant additional information.
Die Akkumulator-Fahrzeug-Schnittstelle enthält des Weiteren eine Schnittstelle zum Fahrzeug um die Kommunikation mit diesem mittels eines, für Kraftfahrzuge üblichen Bussystems und Protokoll herzustellen. Beispielsweise CAN/CAN FD oder Automitive Ethernet/EthernetThe accumulator vehicle interface further includes an interface to the vehicle to establish communication with it by means of a bus system and protocol customary for motor vehicles. For example CAN / CAN FD or Automitive Ethernet / Ethernet
Die Kommunikation zwischen Akkumulatormodulen und Kraftfahrzeugsakkumulatorsteuerung sowie die Kommunikation mit der Ladestation, oder Wechselstation erfolgt verschlüsselt über beispielsweise eine Publich/Private key Infrastruktur und/oder ein Zertifikathandling.The communication between accumulator modules and Kraftfahrzeugsakkumulatorsteuerung and communication with the charging station, or changing station is encrypted via, for example, a public / private key infrastructure and / or certificate handling.
Die Erfindung sieht vor, dass der Kraftfahrzeugakkumulator in der Bauform eines Akkumulatorfachs aufgeführt ist. Dieses kann aus mindestens einem, vorzugsweise mehreren Akkumulatorschächten die Komponenten der Akkumulatorstränge aufnehmen. Je nach Länge des Akkumulatorschachtes können ein, oder mehrere Akkumulatormodule in einen Akkumulatorschacht eingeschoben und somit in Reihe geschaltet werden. Je nach benötigter Gesamtkapazität des Kraftfahrzeugakkumulators und dem verfügbarem Bauraum können mehrere Akkumulatorschächte nebeneinander, oder übereinander angeordnet werden. Auch die Verteilung der Akkumulatorschächte im Kraftfahrzeug ist möglich.The invention provides that the motor vehicle accumulator is listed in the form of an accumulator compartment. This can accommodate the components of the Akkumulatorstränge from at least one, preferably more Akkumulatorschächten. Depending on the length of the Akkumulatorschachtes one or more accumulator modules can be inserted into a Akkumulatorschacht and thus connected in series. Depending on the required total capacity of the motor vehicle battery and the available installation space, several accumulator shafts can be arranged side by side or one above the other. The distribution of Akkumulatorschächte in the motor vehicle is possible.
Die Erfindung sieht vor, dass in die Akkumulatormodule in die Akkumulatorschächte eingeschoben werden können in denen sie an einer, oder mehreren Schienen geführt werden. Die Schienen können als Gleitschienen, oder mit Rollen ausgeführt sein um die Reibung zu verringern. Bei der Ausführung der Schienen ist vorzugsweise eine Schwalbenschwanzform zu verwenden um eine möglichst spielarme Führung zu gewährleisten wodurch Vibrationen und Schwingungen im Betrieb unterdrückt werden könnenThe invention provides that in the Akkumulatormodule can be inserted into the Akkumulatorschächte in which they are guided on one or more rails. The rails can be designed as slide rails or with rollers to reduce friction. In the execution of the rails is preferably a dovetail shape to use to ensure a low-backlash guide whereby vibration and vibration can be suppressed during operation
Jeder Akkumulatorschacht verfügt über eine mechanische Verriegelung der die Akkumulatormodule an ihrer Position fixiert und geschlossen werden kann, wenn diese sich an ihrer vorgesehenen Position befinden. Diese Verriegelung kann formschlüssig über Sperrklinken, oder Kraftschlüssig über eine Reibpaarung, oder über einen Elektromagneten ausgeführt werden.Each accumulator well has a mechanical lock that secures and closes the accumulator modules in place when in place. This locking can be performed positively via pawls, or force fit via a friction pair, or via an electromagnet.
Das Akkumulatorfach am Fahrzeug kann durch eine automatisch öffnende und schließende Klappe abgedeckt werden die für den Wechselvorgang geöffnet wird.The accumulator compartment on the vehicle can be covered by an automatically opening and closing flap, which is opened for the change process.
Die Akkumodule haben mindestens zwei elektrische Anschlüsse in Form von Steckverbindern die sich an mindestens einer Seite, vorzugsweise zwei sich gegenüberliegenden Seiten, befinden. Die Erfindung sieht vor, dass diese elektrischen Anschlüsse miteinander kompatibel sind und sich mehrere Akkumulatormodule ineinander stecken lassen wenn sie sich auf derselben Schiene befinden. The battery modules have at least two electrical connections in the form of connectors located on at least one side, preferably two opposite sides. The invention provides that these electrical connections are compatible with each other and let multiple accumulator modules stuck together when they are on the same rail.
Die Steckverbindung sind vorzugsweise mittels eines gefederten Polschutzes vor unbeabsichtigten Berühren, oder Verschmutzung der Pole zu schützen. Dieser Polschutz ist so auszulegen, dass dieser sich beim Stecken der Verbindung selbstständig wegklappt und somit die Steckverbindung freigibt.The connector are preferably by means of a spring-loaded pole protector to protect against accidental contact, or contamination of the poles. This polarity protection is to be designed so that it folds away automatically when plugging in the connection and thus releases the plug connection.
Einer der beiden elektrischen Anschlüsse kann schwimmend gelagert sein, sodass er sich wenige Millimeter seitlich bewegen kann um eventuelle Fertigungstoleranzen bei der Positionierung der Anschlüsse auszugleichen.One of the two electrical connections can be floating, so that it can move a few millimeters laterally to compensate for any manufacturing tolerances in the positioning of the connections.
Der elektrische Anschluss eines Akkumulatormoduls hat mindestens zwei Pole für die Kontaktierung des Akkustrom. Die Akkus können über diese Pole geladen und entladen werden. Zusätzlich verfügt der Stecker über mindestens zwei, vorzugsweise vier Pole für die Datenkommunikation mit dem Akku, z.B. über CAN-Bus.The electrical connection of an accumulator module has at least two poles for contacting the battery. The batteries can be charged and discharged via these poles. In addition, the plug has at least two, preferably four, poles for data communication with the battery, e.g. via CAN bus.
Neben den Steckverbindern ist mindestens ein, vorzugsweise zwei konische Stifte angeordnet die beim ineinanderstecken der Akkumulatormodule in Buchsen des Nachbar-Akkumulatormoduls eingreifen um somit dessen laterale Lage für das Ineinandergreifen der Steckverbindungen zu definieren.In addition to the connectors, at least one, preferably two conical pins are arranged which engage in the nesting of the accumulator modules in sockets of the neighboring accumulator module so as to define its lateral position for the interlocking of the connectors.
Die Akkumulatormodule verfügen über einen Griff der ein manuelle Handhabung erleichtert. Der Griff ist vorzugsweise klappbar, oder als Gurt auszuführen, sodass er platzsparend angeordnet werden kann.The accumulator modules have a handle which facilitates manual handling. The handle is preferably hinged, or perform as a belt so that it can be arranged to save space.
Die Akkumulatormodule verfügen über Merkmale die eine automatisierte Handhabung erleichtern. So ist mindestens eine Nut für eine Verriegelung und eine Nut für eine Vereinzelung vorgesehen, vorzugsweise sind die Merkmale symmetrisch anzuordnen um eine unidirektionale Handhabung zu ermöglichen.The accumulator modules have features that facilitate automated handling. Thus, at least one groove for a locking and a groove for a separation is provided, preferably the features are to be arranged symmetrically to allow a unidirectional handling.
Um die tauschbaren Akkumulatormodule zu temperieren sieht die Erfindung mindestens einen thermischen Kontakt vor. Dieser kann als Luft-Wärmetauscher mit Kühlrippen ausgestattet sein um thermische Energie an Luft abzugeben oder aufzunehmen. Die Erfindung sieht auch einen mehrheitlich ebenen und möglichst großflächigen Kontakt, vorzugsweise in Form einer Metall, oder Keramikplatte (z.B. Aluminium oder Kupfer) auf mindestens einer Seite des Akkumulatormoduls vor. Der thermische Kontakt der Akkumulatormodule kann beim Einbau im Fahrzeug oder der Wechselstation mit einem temperierten Bauteil in physischen Kontakt treten. Dadurch kann Wärme in beide Richtungen übertragen werden wodurch das Akkumulatormodul sowohl gekühlt, als auch geheizt werden kann. Das Fahrzeugseitige temperierte Bauteil kann dabei wasser-, oder luftdurchströmt sein, oder sich um eine Elektrische Heizung, oder Kühlung (z.B. Peltier-Element) handeln. Der fahrzeugseitige thermische Kontakt ist vorzugsweise in der Nähe der Führungsschiene im Akkumulatorschacht anzuordnen und kann federnd gelagert sein um gegen das Akkumulatormodul gepresst zu werden und somit Fertigungstoleranzen auszugleichen. Auch eine Kombination aus mehreren thermischen Kontakten zur Übertragung der Wärme an mehrere Medien ist ebenfalls verwendbar.In order to temper the exchangeable accumulator modules, the invention provides at least one thermal contact. This can be equipped as an air heat exchanger with cooling fins to give or absorb thermal energy in air. The invention also provides a majority planar and as large as possible contact, preferably in the form of a metal, or ceramic plate (e.g., aluminum or copper) on at least one side of the accumulator module. The thermal contact of the accumulator modules can come into physical contact with a temperature-controlled component during installation in the vehicle or the changing station. As a result, heat can be transmitted in both directions, whereby the accumulator module can be both cooled and heated. The vehicle-side tempered component can be through water, or through air, or can be an electric heater, or cooling (for example Peltier element). The vehicle-side thermal contact is preferably to be arranged in the vicinity of the guide rail in Akkumulatorschacht and may be resiliently mounted to be pressed against the accumulator module and thus compensate for manufacturing tolerances. A combination of several thermal contacts for transferring the heat to a plurality of media is also usable.
Die Erfindung sieht eine Wechselstation für den vollständigen, oder teilweisen Wechsel der im Kraftfahrzeug befindlichen Akkumulatormodule vor die mindestens aus einem Parkplatz für das Kraftfahrzeug, einem Wechselmechanismus (z.B. einem Roboterarm), einem Lagerregal besteht. Das Lagerregal kann um einen Lagerroboter erweitert werden um die Lagerkapazität des Lagerregals zu erhöhen und den Platzbedarf zu optimieren.The invention provides a changing station for the complete or partial replacement of the accumulator modules located in the motor vehicle, which consists of at least one parking space for the motor vehicle, a changing mechanism (for example a robot arm), a storage rack. The storage rack can be extended by a storage robot to increase the storage capacity of the storage rack and to optimize space requirements.
Für den automatischen Wechsel von beliebig vielen Akkumulatormodulen im Kraftfahrzeug muss das Fahrzeug an eine vorgegebene Parkposition entweder autonom, oder manuell gesteuert werden die durch Markierungen gekennzeichnet ist. Die Parkposition des Fahrzeuges muss so arrangiert sein, dass die die Öffnung des Akkumulatorfachs innerhalb des Arbeitsraumes des Wechselmechanismusses befindet. Eine exakte Ausrichtung des Kraftfahrzeuges ist nicht notwendig.For the automatic change of any number of accumulator modules in the motor vehicle, the vehicle must be controlled to a predetermined parking position either autonomously or manually marked by markings. The parking position of the vehicle must be arranged so that the opening of the accumulator compartment is within the working space of the interchangeable mechanism. An exact alignment of the motor vehicle is not necessary.
Der Wechselmechanismus verfügt über mindestens vier, vorzugsweise sechs, angetriebenen Achsen mit denen ein Wechselgreifer für die Aufnahme von mindestens einem, vorzugsweise zwei Akkumulatormodulen positioniert werden kann. Für den Akkumulatormodulwechsel fährt der Wechselgreifer die Öffnung eines Akkumulatorschachtes an und entnimmt einen, oder mehrere der darin befindlichen Akkumulatormodule. Anschließend können neue Akkumulatormodul mittels des Wechselgreifers eingeführt werden.The change mechanism has at least four, preferably six, driven axes with which an exchange gripper for receiving at least one, preferably two accumulator modules can be positioned. For changing the accumulator module, the exchangeable gripper drives the opening of an accumulator shaft and removes one or more of the accumulator modules located therein. Subsequently, new accumulator module can be introduced by means of the exchange gripper.
Die Erfindung sieht vor dass sich an dem Akkumulatorfach im Fahrzeug Marken befinden die für eine automatische Positionserkennung des Akkumulatorfachs genutzt werden. Diese Marken können entweder an jedem Akkumulatorschacht einzeln, oder am Akkumulatorfach als Ganzes angebracht sein. Die Marken können in Form von optischen Elementen wie z.B. schwarz/weiß Objekte, oder aktiv beleuchtete Marken sein um diese mittels Kameras zu orten. Auch die Verwendung eines Spiegels, oder Retroreflektoren die über Lasermesstechnik angetastet werden können, oder Ultraschallsensoren sind möglich.The invention provides that marks are located on the accumulator compartment in the vehicle which are used for automatic position detection of the accumulator compartment. These marks may be attached either to each accumulator well individually or to the accumulator shelf as a whole. The marks can be in the form of optical elements such as black and white objects, or active be illuminated brands to locate them using cameras. The use of a mirror, or retroreflectors that can be touched by laser metrology, or ultrasonic sensors are possible.
Die für die Positionserkennung des Akkumulatorfachs nötigen Messgeräte sind entweder stationär in der Wechselstation montiert, oder können vorzugsweise auf dem Wechselgreifer des Roboterarms montiert werden. Der Wechselmechanismus positioniert den Wechselgreifer sodass dieser der Öffnung des Akkumulatorfachs an einem Akkumulatorschacht gegenüber steht.The need for the position detection of the battery compartment measuring devices are either stationary mounted in the changing station, or can preferably be mounted on the change gripper of the robot arm. The interchangeable mechanism positions the interchangeable gripper so that it faces the opening of the accumulator compartment on a Akkumulatorschacht.
Aus dem Kraftfahrzeug entnommene und entladene, oder teilentladene Akkumulatoren kann der Wechselgreifer anschließend direkt in ein leeres Fach eines Lagerregals übergeben wo diese geladen werden können. Das Lagerregal verfügt hierfür über Akkumulatorfächer in die mindestens ein Akkumulatormodul eingeschoben werden kann. In den Akkumumulatorfächern werden die Akkumulatormodule über eine Steckverwindung kontaktiert und können somit geladen und entladen werden und die Akkumulatormodulsteuerung kann ausgelesen werden.From the motor vehicle taken and discharged, or partially discharged batteries, the change gripper can then pass directly into an empty compartment of a storage rack where they can be loaded. For this purpose, the storage rack has accumulator compartments in which at least one accumulator module can be inserted. In the accumulator compartments, the accumulator modules are contacted via a plug twisting and can thus be charged and discharged and the accumulator module control can be read out.
Da der Arbeitsraum des Wechselmechanismus und somit auch die erreichbare Größe des Lagerregals begrenzt ist sieht die Erfindung bei Wechselstationen mit großer Lagerkapazität, ab ca. 20 Lagerplätzen für Akkumodule, eine Erweiterung um einen Lagerroboter vor. Der Lagerroboter wird in direkter Nähe, vorzugsweise zwischen Wechselmechanismus und Lagerregal positioniert. Der Lagerroboter verfügt über vorzugsweise zwei angetriebene Achsen und einen Lagergreifer der mindestens ein Akkumulatormodul, vorzugsweise vier Akkumulatormodule aufnehmen kann. Der Lagerroboter kann somit Akkumulatormodule aus dem Lagerregal an beliebiger Position entnehmen und an einer Wechselposition dem Wechselmechanismus übergeben.Since the working space of the change mechanism and thus the achievable size of the storage rack is limited, the invention provides for changing stations with large storage capacity, from about 20 storage spaces for battery modules, an extension to a storage robot. The storage robot is positioned in direct proximity, preferably between exchange mechanism and storage rack. The storage robot preferably has two driven axles and a bearing gripper which can accommodate at least one accumulator module, preferably four accumulator modules. The storage robot can thus remove accumulator modules from the storage rack at any position and transferred to the change mechanism at a change position.
Die Erfindung sieht vor, dass die Akkumulatormodule über eine eineindeutige Kennung verfügen und somit maschinell identifiziert werden können. Dies wird vorzugsweise berührungslos über einen Strichcode, oder Identifizierung mit Hilfe elektromagnetischer Wellen (RFID) durchgeführt. Die Identifizierung findet vorzugsweise im Fahrzeug, der Wechselstation und dem Wechselgreifer statt.The invention provides that the accumulator modules have a one-to-one identifier and can thus be identified by machine. This is preferably carried out contactlessly via a bar code or identification by means of electromagnetic waves (RFID). The identification preferably takes place in the vehicle, the change station and the change gripper.
Zum Schutz vor Personenschaden durch den Wechselmechanismus sieht die Erfindung eine Einrichtung vor die die Anwesenheit von Personen im Arbeitsraum des Wechselmechanismus erkennen kann und diesen gegebenenfalls abschaltet. Dies kann direkt über Bewegungssensoren oder Lichtschranken geschehen, oder indirekt über eine Plausibilitätsschaltung die beispielsweise durch Geschlossene Türen des Kraftfahrzeuges oder Sensoren im Innenraum des Kraftfahrzeuges erkennt ob sich alle anwesenden Personen im Kraftfahrzeug befinden.To protect against personal injury caused by the change mechanism, the invention provides a device in front of the presence of persons in the working space of the change mechanism can recognize and this off, if necessary. This can be done directly via motion sensors or light barriers, or indirectly via a plausibility circuit which detects, for example, through closed doors of the motor vehicle or sensors in the interior of the motor vehicle whether all persons present are in the motor vehicle.
Figurenlistelist of figures
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments.
Hierbei zeigen:
-
1 die Systemlandschaft mit allen Bestandteilen. -
2A ein Kraftfahrzeug mit Akkumulatorfach in dem sich der Kraftfahrzeugskkumulator befindet. -
2B ein Kraftfahrzeug mit Akkumulatorfach und herausgezogenen Akkumulatoren. -
3A ein Akkumulatormodul von der Rückseite. -
3B ein Akkumulatormodul von der Vorderseite. -
4A eine Akkumulatorschacht für die Aufnahme von exemplarisch drei Akkumulatormodulen in Reihe in das zwei Akkumulatormodule eingeschoben werden. -
4B eine Akkumulatorschacht für die Aufnahme von exemplarisch drei Akkumulatormodule in Reihe das voll bestückt ist und in dem die Akkumulatormodule verriegelt sind. -
4C eine Akkumulatorschacht für die Aufnahme von exemplarisch drei Akkumulatormodulen in Reihe das voll bestückt ist und in dem die Temperierung der Akkumulatormodule dargestellt ist. -
5A ein Akkumulatorfach für die Aufnahme von exemplarisch drei Akkumulatormodulen in reihe in einem Akkumulatorschacht und exemplarisch fünf Akkumulatorschächten parallel. -
5B ein Akkumulatorfach für die Aufnahme von exemplarisch drei Akkumulatormodulen in reihe in einem Akkumulatorschacht und exemplarisch zwei Akkumulatorschächten nebeneinander und drei Akkumulatorschächten übereinander die parallel geschaltet sind. -
6A ein Leistungspfad im gesamten Kraftfahrzeugakkumulator. -
6B ein Variante von 6A mit Gleichstromwandlern im Strang-Anschluss-Modul. -
6C eine elektronische Schaltung der Akkumulatormodule. -
7 eine automatische Wechselstation.
-
1 the system landscape with all components. -
2A a motor vehicle with accumulator compartment in which the motor vehicle accumulator is located. -
2 B a motor vehicle with accumulator compartment and withdrawn batteries. -
3A an accumulator module from the back. -
3B an accumulator module from the front. -
4A an accumulator shaft for the inclusion of three exemplary accumulator modules in series in the two accumulator modules are inserted. -
4B a Akkumulatorschacht for the reception of exemplary three accumulator modules in series that is fully populated and in which the accumulator modules are locked. -
4C a Akkumulatorschacht for receiving exemplary three accumulator modules in series that is fully populated and in which the temperature of the accumulator modules is shown. -
5A an accumulator compartment for receiving by way of example three accumulator modules in series in a Akkumulatorschacht and exemplarily five Akkumulatorschächten parallel. -
5B an accumulator compartment for receiving by way of example three accumulator modules in series in a Akkumulatorschacht and exemplarily two Akkumulatorschächten side by side and three Akkumulatorschächten one above the other are connected in parallel. -
6A a power path throughout the motor vehicle accumulator. -
6B a variant of 6A with DC-DC converters in the strand connection module. -
6C an electronic circuit of the accumulator modules. -
7 an automatic change station.
AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG EMBODIMENT OF THE INVENTION
Ein erfindungsgemäßes System zum Anpassen der Kapazität des Kraftfahrezugakkumulators durch den Wechsel der Akkumulatormodule ist im Folgenden beschrieben.An inventive system for adjusting the capacity of the Kraftfahrezugakkumulators by changing the accumulator modules is described below.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- FahrzeugnetzwerkVehicle network
- 110110
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
- 120120
- BenutzernetzwerkUser network
- 122122
- Benutzerendgerätuser terminal
- 124124
- Benutzeruser
- 140140
- Ladestationcharging station
- 200200
- Akkumulatormodulaccumulator
- 202202
- Führungsnutguide
- 204204
- Thermischer KontaktThermal contact
- 206206
- VereinzelernutVereinzelernut
- 208208
- Verriegelungsnutlocking
- 210210
- Handgriffhandle
- 220220
- Elektrischer Kontakt Buchse („weiblich“)Electrical contact socket ("female")
- 222222
- Führungsbuchse SteckverbindungGuide bush plug connection
- 230230
- Elektrischer Kontakt Stecker („männlich“)Electrical contact plug ("male")
- 232232
- Führungsstift SteckverbindungGuide pin plug connection
- 250250
- AkkumulatorfachAkkumulatorfach
- 260260
- AkkumulatorschachtAkkumulatorschacht
- 261261
- AkkumulatorstrangAkkumulatorstrang
- 262262
- Kanal für KühlmediumChannel for cooling medium
- 264264
- Motor für VerrigelungMotor for locking
- 265265
- Riegelbars
- 266266
- Wellewave
- 268268
- Markebrand
- 270270
- Führungsschineleadership Machine
- 272272
- Linearantrieblinear actuator
- 274274
- Kühlköperheat sink
- 276276
- Federfeather
- 280280
- Strang-Anschluss-ModulStranded connection module
- 300300
- Automatische WechselstationAutomatic changing station
- 302302
- Lagerroboterstorage robot
- 306306
- Roboterarmrobot arm
- 308308
- WechselgreiferAC gripper
- 310310
- Greifer LagerroboterGripper storage robot
- 320320
- Laderegaltier shelf
- 330330
- Manuelle WechselstationManual change station
- 416416
- Trenneinrichtungseparator
- 446446
- Hochspannungsbushigh voltage bus
- 447 447
- HochspannungsstembusHochspannungsstembus
- 450450
- Akkumulator-Fahrzeug-SchnittstelleBattery-vehicle interface
- 451451
- Trenneinrichtungenseparators
- 452452
- ÜberstromschutzeinrichtungOvercurrent protection device
- 453453
- VorladevorichtungVorladevorichtung
- 454454
- EnergiepufferspeicherEnergy buffer
- 456456
- KraftfahrzeugsakkumulatorsteuerungKraftfahrzeugsakkumulatorsteuerung
- 460460
- AkkumulatorstrangsteuerungAkkumulatorstrangsteuerung
- 461461
- ÜberstromschutzeinrichutngÜberstromschutzeinrichutng
- 462462
- Stromsensorcurrent sensor
- 463463
- UmladestrombegrenzerUmladestrombegrenzer
- 474474
- EnergieflusssteuerungEnergy flow control
- 475475
- AkkumulatormodulsteuerungAkkumulatormodulsteuerung
- 467467
- Kommunikation und SpannungsversorgungCommunication and power supply
- 477477
- Bussystembus system
- 478478
- Balancingeinrichtungbalancing equipment
- 479479
- RFID-ModulRFID module
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102006047654 A1 [0002]DE 102006047654 A1 [0002]
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DE202018003439.8U DE202018003439U1 (en) | 2018-07-25 | 2018-07-25 | System for operating and changing accumulators in electrically powered motor vehicles |
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Publications (1)
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